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1、换热器课程设计目录1 设计任务书41.1 设计任务41.2 设计项目41.3 设计图42 设计说明书42.1换热器的选型42.1.1 列管式换热器42.1.2 固定管板式换热器52.1.3 浮头式换热器52.1.4 U型管式换热器62.1.5 填料函式换热器62.2换热器内冷热流体通道的选择62.3流体流速的选择72.4换热管的选择72.5流体进出口温度的初步确定83工艺计算93.1确定总传热量93.2确定冷却剂的流量103.3有效平均温差103.4管内空气侧传热系数hi的计算103.5管外水侧传热膜系数的计算113.6总的传热系数的计算123.7换热器所需要的管子数n123.8设计计算的校核
2、124设备计算及选型144.1管子在管板上的固定方式144.2管程分布与管子排列144.3分程隔板的连接144.4管板与壳体的连接144.5折流挡板144.6拉杆155 机械设计5.1壳体壁厚155.2水压校核155.3管板参数165.4折流板的计算165.5接管与管法兰175.6封头设计185.7支座设计186设计计算结果汇总表187设计总结19参考文献20符号说明 211设计任务书1.1设计任务 原始数据： 1）空气处理量 ：体积流量Vh=20000 m3/h 操作压强 ：1.3Mpa（绝对压）空气进口温度 ：270 出口温度 ：50 2）冷却剂 ：常温下的水水进口温度： 25 出口温度：
3、 75 1.2设计项目1)确定设计方案，确定冷却器型式，流体流向和流速选择，冷却器的安装方式等。2)工艺设计：冷却器的工艺计算和强度计算，确定冷却剂用量，传热系数，传热面积，换热管长，管数，管间距，校对压降等。3)结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布和管子排列，分程隔板的连接，管板和壳体的连接，折流挡板等。4)机械设计：确定壳体，管板壁的厚度尺寸，选择冷却器的封头、法兰、接管法兰、支座等。5)附属设备选型。1.3 设计图 1）主体设备图 2）平面布置图 3）工艺流程图2 设计说明书2.1换热器的选型本设计任务是利用冷流体（水）给热空气降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生
4、产需要。 选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。不同的换热器适用于不同的场合。换热器的选择涉及的因素很多，如换热流体的腐蚀性及其他特性，操作温度与压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温差，检修与清洗要求等。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基础。2.1.1 列管式换热器 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具
5、有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。2.1.2 固定管板式换热器 这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具
6、有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6105Pa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。2.1.3 浮头式换热器 用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。2.1.4 U型管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的
7、更换及管内清洗困难。 考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ，而且应用广泛，操作简单、方便。用水冷却氨气不易结垢，所以选择带有补偿圈的固定管板式换热器。2.1.5 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.2 换热器内冷热流体通道的选择 冷
8、、热流体流动通道的选择的一般原则： 1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 4）饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速 无关，而且冷凝液容易排出。 5）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。 6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 7）需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。 综上所述本冷
9、却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。 （1）因为热空气的操作压力达到1.3Mpa，而冷却水的操作压力取0.2Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量； （2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。 （3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。2.3流体流速的选择 流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，
10、从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。表31列管式换热器内常用的流速范围 表32不同粘度液体流速 查阅化工原理（上）1P201表49 可得到，热空气的流速范围为530 ms-1；冷却水的流速范围为0.21.5 ms-1。初步选择：热空气的流速为10.0 ms-1， 冷却水的流速为0.5 ms-1。2.4换热管的选择 选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，
11、设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。 我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径壁厚，常用的换热管的规格：192，252.5，383。在此项目设计中选择换热管的规格为252.5碳钢管2.5流体进出口温度的初步确定 管内流体（空气）： 体积流量：Vh=20000m3/h=5.56m3/s（标准状态） 进口温度：t1=270 出口温度：t2=50 操作压力：Ph=1.3Mpa 设计压力：Pdh=1.4Mpa 管外流体（冷却水）： 进口温度：T1=25 出口温度：T2=75 操作压力：Pc=0.2Mpa 设计压力：Pdc=0.3Mpa 空气物性： （1）空气的定性温度 ： （2）空气的设计压力：Pdh=1.4Mpa 查阅化工原理（上）1的附录三（P268）：干空气的物理性质（101.33Kpa）和附 录七，运用内插法： （3）导热系数：h=0.03637 Wm-1-1 （4）粘度：h=2.45x10-5Pas （5）定压比热容：Cp，h=1017J/（K） （6）密度校正h=1.2931.293(1.4MPa/0.101MPa)273/(273+160)11.30 kgm-3 冷却水的物性: （1）冷却水的定性温度 ： （2）冷却水的设计压力：Pdc=0.3Mpa 查阅化工原理（上）1的
